WHOLISTIC giver et sjældent helhedsbillede af signaler i en levende zebrafisk

Kroppens fysiologi foregår ikke i adskilte rum. Hjerneaktivitet, blodcirkulation, fordøjelse og sanseindtryk kan ændre sig på samme tid – men levende billeddannelse har ofte kun kunnet følge ét organ eller væv ad gangen.

Det er begrænsningen, WHOLISTIC er udviklet til at tackle. Navnet står for WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Systemet bruger gennemsigtige, unge zebrafisk (Danio rerio) og kombinerer hurtig 3D-fluorescensmikroskopi, genetisk kodede calciumsensorer og computerbaseret analyse. Resultatet er målinger af foranderlig cellulær aktivitet på tværs af kroppen, med tidsopløsning på sekunder. 2

Sådan virker teknikken

Zebrafisklarver er gennemsigtige, så deres indre væv kan undersøges med optiske metoder. Fiskene udtrykker calciumsensorer bredt i cellerne, og ændringer i fluorescensen bruges som et mål for ændringer i cellernes intracellulære calciumaktivitet.

Det er vigtigt at holde fast i, hvad signalet kan og ikke kan fortælle: Calciumaktivitet er et nyttigt indirekte mål for cellers tilstand, men den viser ikke direkte synaptiske forbindelser og beviser heller ikke, at én celle fik en anden til at reagere. 2

WHOLISTIC samler tre centrale elementer:

• Volumetrisk fluorescensmikroskopi, som gentagne gange optager et tredimensionelt billede af fisken frem for blot et enkelt snit. 2
• Calciummærkning i mange celletyper, så forskerne kan følge aktivitet på tværs af organer – ikke kun i nerveceller. 2
• Computational analyse og maskinlæring, der hjælper med at finde aktive cellestrukturer og gøre store optagelser til mønstre, der kan fortolkes. 2

Det afgørende er derfor ikke kun et bedre kamera, men et skift i perspektiv: Kroppen kan undersøges som et koordineret system, hvor mulige sammenhænge mellem organer bliver synlige i det samme forsøg. 2

Hvad forskerne kunne se i hele kroppen

Iltmangel ændrer blodstrømmen

Under forhold med lavt iltindhold registrerede WHOLISTIC samordnede ændringer knyttet til kredsløbet, herunder en omdirigering af blodstrømmen. Janelias WHOLISTIC-galleri viser mindre blodgennemstrømning i det mesenteriske område – området omkring tarmkrøset – under iltmangel, samtidig med at mere blod ledes mod hjerne og hjerte. 8

Den type observation kan forbinde reaktioner i nervesystem og kredsløb i samme levende dyr. Den er forenelig med, at kroppen prioriterer iltforsyningen til vitale organer, men den præcise årsagskæde og de involverede kredsløb skal stadig testes i målrettede opfølgende forsøg. 28

Rygmarv og ependymceller

Platformen fandt også koordinerede aktivitetsmønstre i rygmarven og i ependymceller, som beklæder hjernens ventrikelsystem. Det peger på biologisk aktivitet uden for de sædvanlige, rent neuroncentrerede kort over kroppen. 2

At ependymcellerne viste tilstandsafhængig aktivitet, gør dem til en interessant kandidat i forskning i søvnrelateret fysiologi. Men sammenfald i calciumsignaler er ikke i sig selv bevis for en funktion i søvn. WHOLISTIC kan i stedet bruges til at udpege sådanne hypoteser, som bagefter kan afprøves med mere selektive eksperimenter. 2

Ketamin på tværs af vævsgrænser

Lægemidler kan påvirke flere celletyper og anatomiske rum på én gang. Ved akut eksponering for ketamin så forskerne effekter, der omfattede både nervevæv og hjernehinderne, meninges. 2

Det illustrerer metodens praktiske pointe: En måling, der kun ser på neuroner, kan overse reaktioner i nabovæv, som ikke er neuralt. Helkropsbilleddannelse gør disse effekter på tværs af vævsgrænser synlige i samme forsøg. 2

Bruskrelaterede celler reagerede på kulde

I forsøg med nedkøling fandt forskerne også calciumreaktioner i celler knyttet til brusk. Det antyder, at temperaturrelateret aktivitet ikke nødvendigvis er begrænset til nervesystemet, og viser hvordan bred cellulær billeddannelse kan pege på uventede, mulige sanseroller for ikke-neuronale væv. 2

Hvorfor WHOLISTIC er interessant

WHOLISTIC udvider idéen bag zebrafiskens helhjernebilleddannelse til resten af kroppen. Helhjernebilleddannelse i zebrafisk viste allerede i 2013, at gennemsigtige hvirveldyr kan bruges til storskalaoptagelser af neural aktivitet. Den nye tilgang udvider feltet til flere organsystemer og celletyper samtidig. 52

Det kan få betydning for spørgsmål, hvor biologien krydser systemgrænser: Hvordan koordinerer hjernen kredsløbet under stress? Hvordan påvirker medicin både neuralt og ikke-neuralt væv? Og hvordan repræsenteres sansesignaler uden for de klassiske neurale baner?

Metoden leverer ikke et færdigt årsagskort over kroppen. Dens styrke er at skabe et kropsdækkende aktivitetskort, der kan pege på sammenhænge, som er værd at undersøge nærmere. 2

En platform, der kan udvides

Janelia præsenterer arbejdet som en ressource, der bygger på avanceret mikroskopi og beregningsanalyse. WHOLISTIC-sitet indeholder blandt andet visualiseringer af de iltmangelrelaterede ændringer i blodstrømmen. 28

Tilgangen kan muligvis også bruges ud over zebrafisklarver. Danionella er et interessant modeldyr, fordi fisken selv som voksen er meget lille nok til helhjerneoptagelser, hvilket kan åbne for studier af mere udviklede og komplekse adfærdsmønstre. Janelia oplyser desuden, at deres metode til helkrops-ekspansionsmikroskopi fungerer med modne Danionella-prøver. 114

Forbeholdet er fortsat centralt: Calciumafbildning viser korrelerede dynamikker i celler. Den fastslår ikke i sig selv direkte forbindelser, alle molekylære mekanismer eller årsag og virkning. WHOLISTICs store bidrag er, at den gør hypoteser på tværs af organer synlige i et levende hvirveldyr i en skala, der tidligere var vanskelig at nå. 2